機(jī)械設(shè)計(jì)是什么？如何設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)

在RoboMaster比賽上，機(jī)器人有各種各樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)，像8個(gè)輪子的工程機(jī)器人

哈爾濱工業(yè)大學(xué) 工程機(jī)器人

頭部結(jié)構(gòu)繁雜的英雄機(jī)器人

華南理工大學(xué) 英雄機(jī)器人

還有抱著5個(gè)氣瓶斜體爬階梯的工程機(jī)器人

東北大學(xué) 工程機(jī)器人

甚至同一種功能的夾取裝置，還有不同的設(shè)計(jì)：

兩所學(xué)校的機(jī)器人的取彈機(jī)構(gòu)

不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)直接影響機(jī)器人的效率。該如何找到最好的方案？這就是機(jī)械中最最最重要的內(nèi)容——機(jī)械設(shè)計(jì)。

什么是機(jī)械設(shè)計(jì)？

機(jī)械設(shè)計(jì)是啥？是根據(jù)使用要求，對(duì)機(jī)械的工作原理、結(jié)構(gòu)、力的傳遞、材料等進(jìn)行構(gòu)思、分析和計(jì)算，并將其轉(zhuǎn)化為具體的描述，以輔助制造。

說人話就是：我在家里想拿隔壁蘿卜君家里的蘿卜吃（這是使用要求），就開始動(dòng)腦思考，還算了一下兩家的路線（這是構(gòu)思和計(jì)算），最后畫圖制作偷取的工具（這是轉(zhuǎn)化）。

一個(gè)機(jī)械夾子

今天我來領(lǐng)大家入門機(jī)械設(shè)計(jì)，本文字字都是踩過的坑，句句都是流過的淚。可將手機(jī)調(diào)至靜音，含淚閱讀。

入門：機(jī)械設(shè)計(jì)初體驗(yàn)

首先，機(jī)械的圖紙不是地上撿來的，是需要自己建立模型的（建模）。

這里我們一般使用的是一款普遍到爛大街的建模軟件：SolidWorks，簡(jiǎn)單容易好上手，對(duì)于剛學(xué)畫圖軟件的同學(xué)非常友好，適合做創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽。

還有一款叫Creo，擁有強(qiáng)大的曲面建模能力，需要更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S和規(guī)范的操作，適合曲面要求更高的產(chǎn)品。

接著，要加工零件，畢竟不是神筆馬良，畫出來就有。

我們DIY常用3D打印機(jī)和雕刻機(jī)加工。若是比賽和做產(chǎn)品，更多用的是CNC、沖壓和壓鑄等。

3D打印機(jī)可以加工復(fù)雜零件，比如打個(gè)六角圓弧自帶凹槽的彈倉(cāng)。缺點(diǎn)是精度和強(qiáng)度不高。

3D打印零件

雕刻機(jī)可以雕刻平面，比如切個(gè)圓，鉆個(gè)孔。但是，只有培訓(xùn)過的機(jī)械狗才能操作雕刻機(jī)，所以建議在X寶代加工。

雕刻機(jī)加工的零件

最后要了解基本的的緊固方式（比如螺釘）和傳動(dòng)方式（比如齒輪），再利用DIY工具，動(dòng)手操作一番。

常用的DIY工具有螺絲刀、螺栓螺母和扳手，這些工具可以滿足基本的連接需求。

通過以上工具，就可以自己加工和裝配，搭建出簡(jiǎn)單的機(jī)器人啦。

如果想動(dòng)手卻沒有加工設(shè)備，那就拆個(gè)電視冰箱過過癮吧～不過前提是家里有礦，不怕挨打。

進(jìn)階：設(shè)計(jì)要領(lǐng)

以上是最簡(jiǎn)單的入門，如果入完門你覺得“機(jī)械真有趣，我還有大把頭發(fā)可以掉”，那么，硬干貨開始了。

1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先，做機(jī)械要有系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意識(shí)，也就是大局觀。

設(shè)計(jì)之前我們要：明確任務(wù)、分析需求、功能確定……設(shè)計(jì)過程要：提出方案、確定方案、選定材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……最后還得：仿真、組裝測(cè)試、優(yōu)化總結(jié)。

這才是一套合理的流程啊朋友們！那些憑感覺設(shè)計(jì)，做到一半才發(fā)現(xiàn)：“糟糕，他要一個(gè)電風(fēng)扇，我卻做了一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)”的朋友，請(qǐng)好好反思一下自己！

曾經(jīng)就有隊(duì)伍在研發(fā)步兵機(jī)器人時(shí)，將底盤和云臺(tái)分給兩個(gè)人做，做完發(fā)現(xiàn)拼不到一起……真愁人，你說該拆誰的好 ？

2. 查閱資料

如果只是做個(gè)小木椅，那么隨心做，如果想成為一名機(jī)械工程師，那請(qǐng)好好掌握一大波專業(yè)課，有：《理論力學(xué)》、《材料力學(xué)》、《機(jī)械原理》、《機(jī)械設(shè)計(jì)》、《工程材料》、《機(jī)械制造基礎(chǔ)》等等。

在掌握課程后，就能夠真正地踏入一個(gè)項(xiàng)目了。項(xiàng)目開始的第一步是收集資料，這是機(jī)械工程師必備的素養(yǎng)。

最廣為人知的參考資料是《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，這套手冊(cè)可以說是經(jīng)典中的經(jīng)典，機(jī)械行業(yè)里的《新華字典》。

機(jī)械全套「勸退」指南

它包含了常用設(shè)計(jì)資料、機(jī)械零部件設(shè)計(jì)（連接、緊固與傳動(dòng)、軸系、支承等等）、流體傳動(dòng)與控制、機(jī)電一體化及控制技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法等等。

基本常用的機(jī)械知識(shí)都能在這套手冊(cè)里找到。

另外還有一些書籍。

《工程思維》、《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用機(jī)構(gòu)手冊(cè)》、《機(jī)械設(shè)計(jì)方法論》、《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用機(jī)構(gòu)與裝置圖冊(cè)》和《機(jī)械設(shè)計(jì)禁忌1000例》

3. 確認(rèn)需求

了解完任務(wù)背景和收集資料后，就可以確定需求了。

這是非常關(guān)鍵的一步，甚至危及生命。因?yàn)槿绻枨蟛幻鞔_，以后當(dāng)了產(chǎn)品經(jīng)理，是會(huì)被程序猿持刀恐嚇的。

舉個(gè)例子，在今年比賽中，很多參賽隊(duì)?wèi)T性地認(rèn)為英雄機(jī)器人必須登島，就耗費(fèi)大量的精力研發(fā)英雄登島的機(jī)構(gòu)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，英雄不登島反而打得更好。

賽場(chǎng)上的英雄機(jī)器人

浪費(fèi)人力物力，此為不仁，傷害隊(duì)友感情，此為不義……（誤）

想要正確認(rèn)識(shí)需求，就要分清必達(dá)需求、最低需求和希望達(dá)到的需求。

必達(dá)需求：無論如何也要達(dá)到的，不然就撒手不干無法實(shí)現(xiàn)功能。

最低需求：各種限制條件，如效率、使用壽命等等。

希望達(dá)到的需求：有一定寬容余地，如好維修、方便操作和外形美觀等。

根據(jù)這些需求，綜合人力物力和資源，吾日三省吾身：功能能實(shí)現(xiàn)否，需求之間存在矛盾否，需求之間能被替代否等等。

舉個(gè)栗子：2018賽季的工程機(jī)器人，必達(dá)需求是獲取底層彈丸，最低需求是可以重復(fù)獲取彈藥箱，希望達(dá)到的需求是可以在6s完成登島，20s內(nèi)抓取10個(gè)彈藥箱。

工程機(jī)器人取彈

這個(gè)過程建議列好需求分析文檔，根據(jù)實(shí)際情況來改動(dòng)項(xiàng)目。

我的需求文檔

在分析需求時(shí)，切忌好高騖遠(yuǎn)脫離實(shí)際，比如機(jī)器人飛躍上島……這事咱們5年內(nèi)暫時(shí)別想了好嗎？

只有穩(wěn)扎穩(wěn)打地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的每個(gè)功能，并做到極致的穩(wěn)定，才是最靠譜的路子。

4. 方案設(shè)計(jì)

有了需求，就要開始設(shè)計(jì)方案了。如果說機(jī)械結(jié)構(gòu)決定機(jī)器人身體的好壞，那么方案設(shè)計(jì)就是機(jī)器人的靈魂品質(zhì)的高低。

在方案設(shè)計(jì)過程中一般有以下幾個(gè)步驟：

1）集智法：團(tuán)隊(duì)提出多種方案，按照原動(dòng)部分、傳動(dòng)部分和執(zhí)行部分，分別思考討論。舉個(gè)簡(jiǎn)單的栗子：工程機(jī)器人抓取彈藥箱時(shí)，氣缸是原動(dòng)部分，被推動(dòng)的滑塊是傳動(dòng)部分，爪子則是執(zhí)行部分。

2）方案篩選和融合：根據(jù)提出的方案，評(píng)估每個(gè)方案的可行性，綜合考慮人力、資金和可行性等問題，融合提煉出一個(gè)最終方案。

3）要點(diǎn)實(shí)現(xiàn)review：確定最終方案后，回頭思考這個(gè)方案能否滿足需求。

一個(gè)合理可行方案往往能夠起到事半功倍的效果。再舉個(gè)栗子：2018賽季，深圳大學(xué)的工程機(jī)器人登島結(jié)構(gòu)，擁有不同高度的輔助輪，可以適應(yīng)各種階梯，外框架可以伸縮抬升機(jī)器人，高效簡(jiǎn)潔，實(shí)在是高。

深圳大學(xué)的工程機(jī)器人

最后它也在登島取彈的單項(xiàng)賽中成功奪魁，實(shí)在優(yōu)秀。

那么對(duì)于機(jī)械新人，看到別人優(yōu)秀的機(jī)械方案，能不能照抄呢？

其實(shí)，同類機(jī)器人的成功案例可以直接借鑒，不符合要求的就要改進(jìn)。那些一味求新、把血淚經(jīng)驗(yàn)棄置不理的極端行為，我們墻裂譴責(zé)！

5. 設(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)階段就是，把腦子里不可描述的想法，轉(zhuǎn)變成模型。基本原則是：明確、簡(jiǎn)單和安全。

這需要確定機(jī)器各零部件的材料、形狀、尺寸、加工和裝配，涉及到材料、工藝、精度、計(jì)算方法、實(shí)驗(yàn)等綜合性工作。

過程主要有零件設(shè)計(jì)、部件設(shè)計(jì)和整體設(shè)計(jì)三個(gè)部分。

1）零件設(shè)計(jì)

零件設(shè)計(jì)主要有以下三個(gè)方法：理論設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)。一般創(chuàng)新設(shè)計(jì)比賽過程中比較常用的是理論設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)零件時(shí)，要把握好每一個(gè)零件的強(qiáng)度和剛度，避免零件損壞失效。同時(shí)要考慮工藝性，降低零件的制作成本。熟悉加工工藝可以在這一方面有很多的幫助。

在滿足上面兩個(gè)條件的情況下，盡可能減小零件質(zhì)量，避免材料浪費(fèi)和減小整體慣性，改善機(jī)器的動(dòng)力性能。

2）部件設(shè)計(jì)

部件設(shè)計(jì)時(shí)，要協(xié)調(diào)各零件的結(jié)構(gòu)及尺寸，使零件構(gòu)型合理。下圖的錯(cuò)誤示范，就是沒考慮加工工藝，加工商看了是要打人的。

設(shè)計(jì)重要的機(jī)構(gòu)時(shí)，還要做出簡(jiǎn)略的實(shí)物來驗(yàn)證可行性。曾經(jīng)我就因?yàn)殛P(guān)鍵結(jié)構(gòu)要重做，導(dǎo)致整臺(tái)機(jī)器得大改。隊(duì)友聽了都想打人。

3）整體設(shè)計(jì)

整體設(shè)計(jì)時(shí)，要注意好每個(gè)部件的空間布局、部件之間銜接的位置，和線路布置的問題。

比如說英雄機(jī)器人，它有云臺(tái)模塊，底盤模塊和取彈模塊，如果制作這三個(gè)模塊時(shí)，沒有考慮整體設(shè)計(jì)，做完就會(huì)發(fā)現(xiàn)根本拼不起來。

英雄機(jī)器人的三個(gè)模塊

只有確保部件之間的配合、零件輕量化，和保證足夠的剛度強(qiáng)度，英雄機(jī)器人才能穩(wěn)健有力，不易跑掉輪子和散架。

完成整體設(shè)計(jì)后，還有一個(gè)校核的步驟。我們需要校核主要零件，得到計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)“這個(gè)零件還不夠完美”，再修改出一個(gè)更優(yōu)的作品。因?yàn)槊總€(gè)零件的尺寸、位置和配合關(guān)系已知，作用在一個(gè)零件上的載荷也就基本可以確定。

身為21世紀(jì)熱愛上網(wǎng)沖浪的少年，還會(huì)通過有限元仿真分析來校核。

它沒有繁雜的計(jì)算，可以直接看出零件的受力情況和形變幅度，對(duì)于零、部件的修改提供參考。熟練的運(yùn)用仿真協(xié)助設(shè)計(jì)，能節(jié)約人力成本和避免設(shè)計(jì)的誤區(qū)。

有限元仿真分析

6. 打樣測(cè)試

打樣測(cè)試就是把機(jī)器做出來，測(cè)一下會(huì)不會(huì)翻車。（其實(shí)就是整機(jī)、零部件的強(qiáng)度、剛度和運(yùn)轉(zhuǎn)精度等方面的性能。）

驗(yàn)證一般有兩種，一是驗(yàn)證某模塊能不能順利跑起來，可以用低成本的材料測(cè)試。例如用3D打印件代替受載荷較小的加工件，用價(jià)格和強(qiáng)度較低的玻纖板替代碳纖維板等。

像下圖，一個(gè)復(fù)雜的扇葉模型，在測(cè)試時(shí)可以直接簡(jiǎn)化成一塊玻纖板和幾塊鋁板。

被簡(jiǎn)化的測(cè)試的機(jī)構(gòu)

二是驗(yàn)證機(jī)器整體性能和壽命，這時(shí)就要完全遵照方案來制作機(jī)器，然后反復(fù)測(cè)試，看它能頂多久。

在比賽中，我們經(jīng)?？吹綑C(jī)器人“翻車”，上島翻、下坡翻，被隊(duì)友撞了一下也翻……其實(shí)只要有充足的測(cè)試，這些黑歷史都可以避免。

機(jī)器人下島時(shí)“翻車”

打樣過程有一些血淚史，請(qǐng)大家牢記在心：

1）打樣前一定要反復(fù)檢查圖紙，避免重要尺寸的漏標(biāo)和錯(cuò)標(biāo)。記得曾經(jīng)有人把電路板的mm標(biāo)成cm，最后收到一個(gè)比頭大的快遞，以及燒了一個(gè)月的生活費(fèi)。

2）列好BOM表，明確零件加工的成本和數(shù)量，避免漏件。別裝到最后發(fā)現(xiàn)少了某顆螺釘和螺母。

3）加工過程中要跟加工商保持溝通，保證零件的加工的準(zhǔn)確性、精度和交期。

曾遇過一個(gè)加工商，最喜歡無視圖紙的公差。所以每次拿到零件都要手動(dòng)磨半天才能用，令人憤怒。

交期也很讓人頭冷，如果是5號(hào)交貨，就要從1號(hào)開始催，一日三餐，一天三遍。（雖然催完5號(hào)也不一定能交，但是士氣一定不能輸）

4）零件回樣之后及時(shí)驗(yàn)貨，有問題就返廠。組裝時(shí)注意裝配順序，記錄設(shè)計(jì)不合理的地方，下次避免。

5）盡可能模擬機(jī)器的使用工況來測(cè)試。水下機(jī)器人就讓它下水，空中機(jī)器人就讓它上天，不要跟它客氣。測(cè)完記得記錄問題，為下次迭代做準(zhǔn)備。

7. 總結(jié)優(yōu)化

總結(jié)優(yōu)化階段主要任務(wù)是完善和擴(kuò)大方案。而且，機(jī)器都由人來組裝和操作，所以也得考慮人機(jī)交互的關(guān)系，來提高機(jī)器的效率和降低組裝和維修難度。

好的機(jī)器作品往往不是一蹴而就的，總是經(jīng)過幾個(gè)版本的迭代，不斷優(yōu)化才能趨向穩(wěn)定。

很多優(yōu)秀隊(duì)伍的機(jī)器人通常在比賽前2個(gè)月就完成了，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試和迭代，才能將機(jī)器性能推向極致，在賽場(chǎng)稱霸風(fēng)云。